Procédé de pompage secondaire pour obtenir un vide poussé
et pompe pour sa mise en oeuvre
La présente invention a pour objet un procédé de pompage secondaire pour obtenir un vide poussé et une pompe pour la mise en oeuvre de ce procédé.
L'invention a principalement pour but de permettre une certaine souplesse dans le montage et l'asociation des éjecteurs et des surfaces de condensation en séparant nettement les fonctions d'ébullition, d'éjection et de condensation de la pompe à vide, de façon à pouvoir commander séparément les paramètres qui régissent le fonctionnement de ces organes.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution de la pompe objet de l'invention.
Les fig. 1, 2 et 3 sont des coupes de ces trois formes d'exécution, respectivement, et
la fig. 4 est une coupe suivant la ligne IV-IV de la fig. 3.
On voit sur la fig. 1 une pompe 1 dans laquelle, par entraînement des molécules de gaz de la surface d'aspiration 3 de la pompe, un fluide 4 établit un vide poussé dans une enceinte 2. Un bouilleur 5 envoie de la vapeur dans des canalisations 6 chauffées à une température donnée.
Ces canalisations 6 sont reliées à des tuyauteries 7 par l'intermédiaire de raccords 8. Ces tuyauteries 7 sont également chauffées à une température donnée et elles présentent par endroits ou d'une façon continue des orifices qui constituent les éjecteurs proprement dits 9.
Bien que d'autres fluides puissent être tout aussi bien utilisés dans la pompe, on adopte dans l'exemple choisi ici de la vapeur d'huile. Dans ce cas il est avantageux de réaliser en verre les tuyauteries portant les éjecteurs.
On prévoit de déposer sur ce verre par les moyens classiques un dépôt conducteur faisant office de résistance chauffante 10.
Les canalisations de départ 6 sont isolées thermiquement, un passage étanche au vide 11 est isolé électriquement de l'enveloppe 13 de la pompe, les chauffages des canalisations 6 et des tuyauteries 7 sont reliées électriquement d'une manière connue.
On sait que dans les pompes à diffusion classiques, la vapeur arrivant aux orifices d'éjection est souvent humide, c'est-à-dire qu'elle contient des gouttelettes d'un fluide à deux phases; or les gouttelettes ont une vitesse faible qui ralentit celle de la vapeur et elles servent de germe de condensation à la vapeur qui se refroidit à la décompression. Les phénomènes contribuent à diminuer les performances des pompes classiques, de plus des gouttelettes se déposent fréquemment aux lèvres des éjecteurs, puis se réévaporent en formant un important courant de retour (backstream). Enfin, dans les pompes à diffusion ou à éjection classiques, la température des éjecteurs résulte d'un équilibre thermique complexe de l'ensemble. Les seuls paramètres préréglés étant, dans ce cas, la chauffe du bouilleur et le débit d'eau dans les canalisations de refroidissement entourant le corps de pompe.
La vapeur en sortant des éjecteurs transforme son énergie de pression en énergie cinétique et elle entraîne les molécules de gaz dans la direction de son déplacement, ce qui se traduit par un gradient de pression.
Après avoir joué son rôle d'entraînement mécanique, il est important que la vapeur soit condensée le plus rapidement possible. Lorsque les molécules de vapeur ont joué leur rôle d'entraînement, c'est-à-dire lorsqu'elles ont perdu la cohérence de leur mouvement, elles devien nuent nuisibles à l'efficacité de la pompe. Le rendement de la pompe est diminué en effet par la pression de vapeur d'huile dans la zone comprimée puisqu'il faut lui conférer - en manque à gagner sur le débit de la pompe - une quantité de mouvement pour la maintenir dans cette zone. Il est diminué également par le courant de retour qui se forme au rebond des molécules d'huile sur les pièces mécaniques de la pompe.
Aussi, on va refroidir énergiquement toutes ces pièces de la pompe, et condenser les molécules en associant aux tuyauteries 7, portant les éjecteurs 9, de grandes surfaces formant l'enveloppe 13 de la pompe et des cloisons 12 intérieures à celle-ci. Ces surfaces sont refroidies par des canalisations 14. L'huile se condense sur ces surfaces, ruisselle et est recueillie dans un réservoir 15. A partir de ce réservoir 15, elle est reprise par une pompe 16 et renvoyée dans le bouilleur 5. On rappelle que dans les pompes classiques à diffusion ou à éjection (booster), le corps de la pompe est refroidi; par contre on ne peut, d'après la conception même de ces pompes, refroidir les cheminées d'amenée de la vapeur; ces cheminées constituent les structures internes et sont directement reliées au bouilleur.
Dans la pompe décrite, au contraire, les surfaces de condensation sont multipliées et l'association des circuits d'éjecteurs et des plaques refroidies permet une compacité remarquable des pompes. Ceci est illustré particulièrement sur la fig. 1 où, dans une pompe dont la forme extérieure est dans l'ensemble celle des pompes classiques, on a situé dans l'espace habituellement réservé aux cheminées d'amenée de vapeur deux étages de pompage supplémentaires dont un booster .
Selon cette disposition, on gagne en débit et on relève la pression d'amorçage.
La possibilité de distribuer la vapeur dans les canalisations 7 à chauffage indépendant, portant les éjecteurs 9, et l'association de ces canalisations aux cloisons refroidies 12 sont deux facteurs qui permettent de modifier avec une grande liberté la physionomie habituelle des pompes. On le voit sur la fig. ] si l'on regarde l'intérieur du corps de pompe 1 en dessous d'une vanne secondaire 22, on le voit surtout sur les fig. 2 et 3 qui seront décrites ultérieurement.
A la différence des pompes classiques où le bouilleur est intimement relié, sinon incorporé au corps de la pompe, le bouilleur 5 est ici séparé du corps de la pompe I proprement dite. Il peut être isolé du réservoir de récupération d'huile 15 et des canalisations de distribution 6 par la fermeture de vannes 18 et 19. Ce bouilleur est raccordé à un bâti de pompage primaire par une canalisation 20 portant une vanne 17. Le bouilleur étant traité comme une unité séparée, sa température ne se répercute pas sur l'équilibre thermique de la pompe, ce qui laisse une grande liberté d'action sur le choix du mode de chauffage. Ce fait, joint à la présence de longues canalisations de distribution 6 et 7, permet l'élimination pratiquement complète des répercussions désastreuses d'une ébullition éruptive sur la vitesse de pompage.
De plus, pour arrêter la pompe secondaire, il suffit de fermer les vannes 18 et 19 et, après quelques secondes, on peut procéder à une rentrée d'air à l'intérieur de la pompe qui ne contient pas d'huile chaude.
Ceci constitue un avantage appréciable sur les pompes classiques. La pompe représentée sur la fig. 1 comporte quatre étages de pompage 24, 25, 26, 27. Les étages 24, 25 et 27 prennent appui sur un rebord intérieur 28 de la partie cylindrique de la pompe; il en est de même d'une plaque de refroidissement 12b et d'une trompette d'éjection 31. L'étage 26 ainsi qu'une plaque de refroidissement 12a et une couronne faisant office de trompette d'éjection 33 prennent appui sur une partie inférieure 34 démontable de la pompe. Ces diverses pièces sont centrées les unes par rapport aux autres. L'huile de condensation s'écoule dans le réservoir 15 soit par l'intérieur du booster d'éjection, soit par un raccord flexible 29 et une canalisation 35.
La fig. 2 illustre une application particulière des principes précédemment exposés à la réalisation d'un four à vide situé à l'intérieur de la pompe secondaire laquelle est elle-même intégrée à l'intérieur de l'enceinte.
Le fluide de pompage 4 qui va vider par entraînement les molécules de gaz d'une enceinte 30 à partir d'une surface d'aspiration 31 de la pompe 4', est transporté à partir du bouilleur 5 par l'intermédiaire de canalisations 6 chauffées à une température donnée. Ces canalisations sont reliées à des tuyauteries 7 par l'intermédiaire de raccords 8, ces tuyauteries 7 sont également chauffées à une température donnée, elles portent par endroits ou d'une façon continue des orifices formant des éjecteurs 9. Sur les tuyauteries 7 on a représenté une résistance de chauffage 10. Les canalisations 6 sont isolées thermiquement. Les connexions électriques de chauffage entre les canalisations 6 et 7 n'ont pas été détaillées, non plus que le passage étanche 23.
Le fluide de pompage se condense sur les surfaces refroidies 12 par une circulation d'eau 63. L'huile ruisselle sur les surfaces et est recueillie dans un réservoir refroidi 15 par l'intermédiaire d'une canalisation 35 portant un raccord flexible 29 facilitant le montage. Elle est reprise par une pompe 16 qui la renvoie dans le bouilleur 5. Le bouilleur, le réservoir, la pompe secondaire et l'enceinte sont raccordés à une pompe primaire non figurée, par des tuyauteries 20 et 21. Des vannes 17, 18, 19 permettent d'isoler le bouilleur; une vanne 36 isole l'enceinte du circuit de pompage primaire, enfin une vanne 37 sur le circuit primaire et une vanne annulaire 32 permettent d'isoler la pompe secondaire 4'.
La pompe secondaire de la fig. 2 comporte trois étages 24, 25, 27; elle est également pourvue d'une chicane refroidie 38 dont le déplacement est assuré par un piston 39 traversant un couvercle 40 de l'enceinte à vide. Le couvercle 40 bascule autour d'un axe 41 et il est serré sur le corps de l'enceinte, avant pompage, grâce à un écrou 42. La pompe contient un creuset 43, un dispositif de chauffage 44 dont le raccord électrique est schématisé en 47, des écrans de radiation 45 et des supports 46, tout cet équipement est connu et ne nécessite pas de plus amples explications.
Pour pomper en vide primaire l'enceinte, on ouvre les vannes 36, 37 et 17 respectivement sur l'enceinte, sur la pompe secondaire et la canalisation 6, et sur le bouilleur. Le démarrage de la pompe secondaire peut alors commencer. On ferme la vanne 17, puis un élément de chauffage 68 du bouilleur est alimenté ainsi que les résistances de chauffage des canalisations 6 et 7; on ouvre enfin les vannes 19 et 18. Le fluide circule dans la canalisation 6 et arrive aux éjecteurs 9. Pour pomper en secondaire dans l'enceinte, on ouvre alors la vanne secondaire 32. La pompe 16 de retour de l'huile depuis le réservoir jusqu'au bouilleur est commandée par un repère de niveau situé dans le bouilleur. Pour couper tout pompage secondaire, il suffit d'isoler le bouilleur par la fermeture des vannes 19 et 18.
Les fig. 3 et 4 sont des vues d'une pompe dont la partie assurant le pompage se trouve à l'intérieur de l'enceinte, le bouilleur et le réservoir de retour étant placés à l'extérieur de l'enceinte.
Un bouilleur 5 envoie des vapeurs 4 dans des canalisations 6 chauffées à une température contrôlée. Ce bouilleur est relié à un groupe de pompage primaire non représenté par l'intermédiaire d'une canalisation 20, et à une pompe de retour 16 reliée au réservoir 15.
Différentes vannes 19, 17 et 18 permettent d'isoler ce bouilleur. Après avoir traversé l'enceinte 2', la canalisation 6 alimente deux rampes de distribution horizontales 8 à partir desquelles, en des connexions telles que 8', partent des tuyauteries 37 sur lesquelles sont raccordées les tuyauteries 77 portant les éjecteurs. Ces dernières sont disposées verticalement et comportent des éjecteurs 9 ainsi qu'une résistance de chauffage 30.
Comme précédemment, toutes ces tuyauteries sont portées à une température donnée.
Aux éjecteurs verticaux sont associées des plaques refroidies verticales 12' dont la forme est illustrée sur la fig. 4. Un circuit de refroidissement 63 traverse l'enceinte 2', puis alimente deux rampes horizontales 45 et 46 sur lesquelles est branché par des raccords 47 et 48 le circuit de refroidissement des plaques; le retour s'effectue par les raccords 50 et 51. Les plaques ont été conçues de telle façon que par symétrie et répétitions on obtienne une pompe dont la surface d'aspiration est très grande. La pompe est constituée par un assemblage modulaire d'éjecteurs et de plaques; elle s'ouvre sur l'enceinte par deux faces opposées.
Sur les faces refroidies, l'huile ruisselle, est recueillie par gravité sur des plans d'écoulement 52, puis dans deux collecteurs 49 qui se réunissent en 53. L'écoulement se poursuit dans une canalisation 55 jusqu'au réservoir 15 après avoir traversé l'enceinte par un passage 54.
On a ainsi représenté une pompe à quatre étages dont le dernier comprime le gaz à une pression de vide primaire. Le gaz est alors pompé par l'intermédiaire des collecteurs 49, puis de la canalisation 55, portant une vanne 56, et du raccord tubulaire 21, par un groupe de pompage primaire non représenté. La pompe possède un couvercle refroidi 57 et un fond 58, elle repose sur des pieds 59. I1 est avantageux de rassembler tous les passages sous vide (eau, huile, vide) sur une même bride 60. Sur cette pompe secondaire il n'a pas été prévu de vanne secondaire. Le pompage en primaire de l'enceinte se trouve en 61.
Secondary pumping process to obtain a high vacuum
and pump for its implementation
The present invention relates to a secondary pumping process for obtaining a high vacuum and a pump for implementing this process.
The main object of the invention is to allow a certain flexibility in the assembly and association of the ejectors and the condensation surfaces by clearly separating the functions of boiling, ejection and condensation of the vacuum pump, so as to be able to separately control the parameters that govern the functioning of these organs.
The appended drawing represents, by way of example, three embodiments of the pump which is the subject of the invention.
Figs. 1, 2 and 3 are cross sections of these three embodiments, respectively, and
fig. 4 is a section taken along line IV-IV of FIG. 3.
It is seen in fig. 1 a pump 1 in which, by entraining the gas molecules from the suction surface 3 of the pump, a fluid 4 establishes a high vacuum in an enclosure 2. A boiler 5 sends steam into pipes 6 heated to a given temperature.
These pipes 6 are connected to pipes 7 by means of fittings 8. These pipes 7 are also heated to a given temperature and they have in places or continuously orifices which constitute the ejectors proper 9.
Although other fluids can be used just as well in the pump, in the example chosen here oil vapor is adopted. In this case, it is advantageous to make the pipes carrying the ejectors in glass.
Provision is made to deposit on this glass by conventional means a conductive deposit acting as a heating resistor 10.
The outgoing pipes 6 are thermally insulated, a vacuum-tight passage 11 is electrically isolated from the casing 13 of the pump, the heaters of the pipes 6 and of the pipes 7 are electrically connected in a known manner.
It is known that in conventional diffusion pumps, the vapor arriving at the ejection ports is often humid, that is to say it contains droplets of a two-phase fluid; however, the droplets have a low velocity which slows down that of the vapor and they serve as a seed of condensation for the vapor which cools on decompression. The phenomena contribute to reducing the performance of conventional pumps, in addition droplets are frequently deposited on the lips of the ejectors, then re-evaporate, forming a large return stream (backstream). Finally, in conventional diffusion or ejection pumps, the temperature of the ejectors results from a complex thermal equilibrium of the assembly. The only preset parameters being, in this case, the heating of the boiler and the water flow in the cooling pipes surrounding the pump body.
The steam exiting the ejectors transforms its pressure energy into kinetic energy and it drives the gas molecules in the direction of its movement, resulting in a pressure gradient.
After playing its role of mechanical drive, it is important that the vapor is condensed as quickly as possible. When the vapor molecules have played their role of driving, that is to say when they have lost the coherence of their movement, they become detrimental to the efficiency of the pump. The efficiency of the pump is in fact reduced by the oil vapor pressure in the compressed zone since it has to be given - in shortfall in the flow of the pump - a quantity of movement to maintain it in this zone. It is also reduced by the return current which forms when the oil molecules rebound on the mechanical parts of the pump.
Also, we will energetically cool all these parts of the pump, and condense the molecules by associating with the pipes 7, carrying the ejectors 9, large surfaces forming the casing 13 of the pump and partitions 12 inside the latter. These surfaces are cooled by pipes 14. The oil condenses on these surfaces, trickles down and is collected in a reservoir 15. From this reservoir 15, it is taken up by a pump 16 and returned to the boiler 5. It is recalled that that in conventional diffusion or ejection (booster) pumps, the pump body is cooled; on the other hand, it is not possible, according to the very design of these pumps, to cool the steam supply stacks; these chimneys constitute the internal structures and are directly connected to the boiler.
In the pump described, on the contrary, the condensation surfaces are multiplied and the association of ejector circuits and cooled plates allows the pumps to be remarkably compact. This is particularly illustrated in FIG. 1 where, in a pump whose outer shape is generally that of conventional pumps, there are located in the space usually reserved for the steam supply chimneys two additional pumping stages including a booster.
According to this arrangement, the flow rate is gained and the priming pressure is raised.
The possibility of distributing the steam in the pipes 7 with independent heating, carrying the ejectors 9, and the association of these pipes with the cooled partitions 12 are two factors which make it possible to modify with great freedom the usual physiognomy of the pumps. It can be seen in fig. ] if we look at the inside of the pump body 1 below a secondary valve 22, we can see it especially in FIGS. 2 and 3 which will be described later.
Unlike conventional pumps where the boiler is intimately connected, if not incorporated into the body of the pump, the boiler 5 is here separated from the body of the pump I proper. It can be isolated from the oil recovery tank 15 and from the distribution pipes 6 by closing valves 18 and 19. This boiler is connected to a primary pumping frame by a pipe 20 carrying a valve 17. The boiler being treated. as a separate unit, its temperature does not affect the thermal equilibrium of the pump, which leaves a great freedom of action on the choice of the heating mode. This fact, together with the presence of long distribution pipes 6 and 7, allows the almost complete elimination of the disastrous effects of an eruptive boiling on the pumping speed.
In addition, to stop the secondary pump, it suffices to close the valves 18 and 19 and, after a few seconds, it is possible to reenter the interior of the pump which does not contain hot oil.
This constitutes an appreciable advantage over conventional pumps. The pump shown in fig. 1 comprises four pumping stages 24, 25, 26, 27. The stages 24, 25 and 27 are supported on an inner rim 28 of the cylindrical part of the pump; the same applies to a cooling plate 12b and an ejection trumpet 31. The stage 26 as well as a cooling plate 12a and a ring serving as an ejection trumpet 33 bear on a part. lower 34 removable from the pump. These various parts are centered with respect to each other. The condensation oil flows into the reservoir 15 either through the interior of the ejection booster or through a flexible connection 29 and a pipe 35.
Fig. 2 illustrates a particular application of the principles explained above to the production of a vacuum furnace located inside the secondary pump which is itself integrated inside the enclosure.
The pumping fluid 4 which will empty by entrainment the gas molecules of a chamber 30 from a suction surface 31 of the pump 4 ', is transported from the boiler 5 via heated pipes 6. at a given temperature. These pipes are connected to pipes 7 by means of fittings 8, these pipes 7 are also heated to a given temperature, they carry in places or continuously orifices forming ejectors 9. On the pipes 7 we have shown a heating resistor 10. The pipes 6 are thermally insulated. The electrical connections for heating between pipes 6 and 7 have not been detailed, nor the sealed passage 23.
The pumping fluid condenses on the cooled surfaces 12 by a circulation of water 63. The oil runs off the surfaces and is collected in a cooled reservoir 15 by means of a pipe 35 carrying a flexible connector 29 to facilitate the pumping. mounting. It is taken up by a pump 16 which returns it to the boiler 5. The boiler, the tank, the secondary pump and the enclosure are connected to a primary pump (not shown), by pipes 20 and 21. Valves 17, 18, 19 allow the boiler to be isolated; a valve 36 isolates the enclosure from the primary pumping circuit, finally a valve 37 on the primary circuit and an annular valve 32 make it possible to isolate the secondary pump 4 '.
The secondary pump of fig. 2 has three stages 24, 25, 27; it is also provided with a cooled baffle 38, the displacement of which is ensured by a piston 39 passing through a cover 40 of the vacuum chamber. The cover 40 swings around an axis 41 and it is tightened on the body of the enclosure, before pumping, thanks to a nut 42. The pump contains a crucible 43, a heating device 44, the electrical connection of which is shown schematically in 47, radiation shields 45 and supports 46, all of this equipment is known and does not require further explanation.
To pump the enclosure in primary vacuum, the valves 36, 37 and 17 are opened respectively on the enclosure, on the secondary pump and pipe 6, and on the boiler. The start-up of the secondary pump can then begin. The valve 17 is closed, then a heating element 68 of the boiler is supplied as well as the heating resistors of the pipes 6 and 7; Finally, the valves 19 and 18 are opened. The fluid circulates in the pipe 6 and arrives at the ejectors 9. To pump as a secondary pump in the chamber, the secondary valve 32 is then opened. The pump 16 for returning the oil from the tank to the boiler is controlled by a level mark located in the boiler. To cut off all secondary pumping, it suffices to isolate the boiler by closing valves 19 and 18.
Figs. 3 and 4 are views of a pump, the pumping part of which is located inside the enclosure, the boiler and the return tank being placed outside the enclosure.
A boiler 5 sends vapors 4 into pipes 6 heated to a controlled temperature. This boiler is connected to a primary pumping unit not shown by means of a pipe 20, and to a return pump 16 connected to the reservoir 15.
Different valves 19, 17 and 18 make it possible to isolate this boiler. After passing through the enclosure 2 ', the pipe 6 supplies two horizontal distribution ramps 8 from which, in connections such as 8', leave the pipes 37 to which are connected the pipes 77 carrying the ejectors. The latter are arranged vertically and include ejectors 9 as well as a heating resistor 30.
As before, all these pipes are brought to a given temperature.
Associated with the vertical ejectors are vertical cooled plates 12 ', the shape of which is illustrated in FIG. 4. A cooling circuit 63 passes through the enclosure 2 ', then supplies two horizontal ramps 45 and 46 to which the plate cooling circuit is connected by connectors 47 and 48; the return is effected by connections 50 and 51. The plates have been designed in such a way that by symmetry and repetitions a pump is obtained with a very large suction surface. The pump consists of a modular assembly of ejectors and plates; it opens onto the enclosure by two opposite faces.
On the cooled faces, the oil trickles, is collected by gravity on flow planes 52, then in two collectors 49 which meet at 53. The flow continues in a pipe 55 to the reservoir 15 after having crossed the enclosure by a passage 54.
There is thus shown a four-stage pump, the last of which compresses the gas to a primary vacuum pressure. The gas is then pumped through the manifolds 49, then the pipe 55, carrying a valve 56, and the tubular connector 21, by a primary pumping unit, not shown. The pump has a cooled cover 57 and a bottom 58, it rests on feet 59. It is advantageous to bring together all the vacuum passages (water, oil, vacuum) on the same flange 60. On this secondary pump it has no no secondary valve has been provided. The primary pumping of the enclosure is at 61.